Eksperimenter under ekstreme forhold skærper visningen af ​​vores planets indre

Simulering af betingelserne 2, 700 kilometer dybt under jorden, forskere har undersøgt en vigtig transformation af det mest rigelige mineral på jorden, bridgmanit. Resultaterne fra Extreme Conditions Beamline ved DESYs røntgenlyskilde PETRA III afslører, hvordan bridgmanit bliver til en struktur kendt som post-perovskit, en transformation, der påvirker dynamikken i Jordens nedre kappe, herunder spredning af seismiske bølger. Analysen kan give en forklaring på en række særegne seismiske observationer, som teamet under ledelse af Sébastien Merkel fra Université de Lille i Frankrig beretter i Journal Naturkommunikation .

Bridgmanite er et magnesium-jern-mineral ((Mg, Fe) SiO ₃ ) med en krystalstruktur, der ikke er stabil under omgivelsesbetingelser. Den danner omkring 660 kilometer under jordens overflade, og mikrokrystallinske korn fundet som indeslutninger i meteoritter er de eneste prøver, der nogensinde er fundet på overfladen. "For at studere bridgmanit under betingelserne i den nedre kappe, vi skulle først fremstille mineralet, "forklarer Merkel. For at gøre det, forskerne komprimerede små mængder jern-magnesium-siliciumoxid i en diamantamboltcelle (DAC), en enhed, der kan presse prøver med højt tryk mellem to små diamantambolte.

Den frisklavede bridgmanit blev derefter sat under endnu højere tryk på 1,2 megabar (ca. 1,1 millioner gange trykket på overfladen) svarende til det laveste lag af Jordens kappe, lige over kernen. Her, seismiske bølger reflekteres, mens de rejser gennem Jordens indre, og den måde, de reflekteres på, afhænger af egenskaberne ved det materiale, de møder. "Seismiske bølger opfører sig nogle gange sjovt i den region, "siger Merkel." Nogle gange ser du stærke refleksioner, og nogle gange kan du slet ikke se noget. "

Forskere har længe mistanke om, at en strukturel ændring inden for bridgmanit er en vigtig del af forklaringen. "Vi har vidst i 15 år, at bridgmanit omdannes til en anden krystalstruktur kaldet post-perovskit under disse betingelser, men det vi ikke vidste var, hvor hurtigt det gør det, "forklarer Merkel. Post-perovskit består af de samme kemiske elementer som bridgmanit, men har en anden krystalstruktur, fører til forskellige egenskaber.

Ved DESY's Extreme Conditions Beamline (P02.2) kunne forskerne nu undersøge dynamikken i transformationen. Det viste sig, at det sker omkring 10 til 10, 000 sekunder, afhængig af tryk og temperatur. Dette inkluderer tidsskalaen for frekvensen af ​​seismiske bølger. "Det betyder, at seismiske bølger kan udløse transformationen, og til gengæld kan det forstærke det seismiske signal, "understreger Merkel." Denne observation forklarer, hvorfor du nogle gange ser stærke refleksioner, og nogle gange ikke. Og det kan også forklare andre anomalier. "

Mantel-core grænsen ved ca. 2, 900 kilometer under overfladen er ikke så skarp som en spejloverflade. I stedet i en region cirka 200 kilometer over kernen, kendt som D "-laget, store plader af forskelligt materiale med forskellige strukturer bevæger sig rundt. "Du kan tænke på det som et andet sæt pladetektonik dernede, "forklarer Merkel. Også, i et grænselag på cirka 100 kilometer tykkelse, bridgmanit og post-perovskit kan eksistere samtidigt, komplicerer analysen af ​​seismiske signaler. Jo flere detaljer forskerne kender til materialets fysiske egenskaber ved grænsen, jo bedre analyse kan de lave. Dette hjælper ikke kun med at undersøge selve grænseregionen, men også mange andre regioner inde på Jorden, som seismiske bølger sonderer alle lag på vej. "Jo bedre vi kender de materielle egenskaber ved kernemantelgrænsen, jo skarpere er vores syn på Jordens indre, ”siger Merkel.